Учёные случайно наткнулись на ДНК, нарушающую «правила жизни»

Тест, призванный расширить границы возможностей секвенирования ДНК отдельных клеток, привёл к гораздо более удивительному открытию: микроскопический организм из пруда в парке Оксфордского университета, по-видимому, использует генетический код невиданным ранее способом.

Доктор Джейми Макгоуэн, научный сотрудник-постдокторант Института Эрлхэма, изучал геном протиста ^[1], добытого из пресной воды. Цель исследования была практической: исследователи хотели протестировать технологию секвенирования ДНК, способную работать с крайне малыми количествами генетического материала, в том числе с ДНК из одной клетки.

Вместо этого команда обнаружила ^[2] неожиданный генетический аномальный случай. Организм, идентифицированный как Oligohymenophorea sp. PL0344, оказался ранее неизвестным видом с редким изменением. Оно касается того, как этот организм считывает инструкции ДНК и синтезирует белки. В исследовании, опубликованном в журнале PLOS Genetics, сообщается, что два кодона, обычно связанных с сигналами остановки генов, были переназначены на другие аминокислоты — комбинацию, которую исследователи охарактеризовали как ранее не описанную.

«Это чистая удача, что мы выбрали именно этот простейший организм для тестирования нашей технологии секвенирования, — говорит доктор Макгоуэн. — И это лишь показывает, что нас ждёт впереди, подчёркивая, как мало мы знаем о генетике протист».

Крошечный организм с большой неожиданностью

Протистов трудно чётко определить, поскольку они очень разнообразны. Многие из них — микроскопические одноклеточные организмы, включая амёб, водоросли и диатомовые водоросли. Другие гораздо крупнее и многоклеточны, например ламинарии, слизевики и красные водоросли.

«Определение протист довольно расплывчато — по сути, это любой эукариотический организм, который не является животным, растением или грибом», — сказал доктор Макгоуэн. «Это, очевидно, очень общее определение, и всё потому, что протисты — чрезвычайно разнообразная группа».

«Некоторые из них более близки к животным, другие — к растениям. Среди них есть хищники и добыча, паразиты и хозяева, плавающие и сидячие, а также те, кто питается разнообразно, в то время как другие осуществляют фотосинтез. По сути, мы можем сделать очень мало обобщений».

Oligohymenophorea sp. PL0344 принадлежит к группе, называемой ресничными. Этих плавающих протист можно увидеть под микроскопом, и они встречаются во многих водных средах. Ресничные стали особенно интересны генетикам, поскольку они являются известными «горячими точками» изменений генетического кода, включая изменения, затрагивающие стоп-кодоны ^[3].

Когда генетические стоп-знаки меняют значение

У большинства живых организмов три стоп-кодона указывают клетке, где заканчивается ген: TAA, TAG и TGA. Они работают как знаки препинания в генетических инструкциях, сигнализируя о том, что синтез белка должен прекратиться.

Генетический код обычно описывают как почти универсальный, поскольку большинство организмов используют одни и те же основные правила. Вариации всё же встречаются, но они редки. В небольшом числе известных вариантов генетического кода TAA и TAG обычно меняются вместе и, как правило, в итоге означают одно и то же. Эта закономерность позволяла предположить, что два эти кодона эволюционно связаны.

«Практически во всех известных нам случаях кодоны TAA и TAG изменяются синхронно, — пояснил доктор Макгоуэн. — Когда они не являются стоп-кодонами, каждый из них кодирует одну и ту же аминокислоту».

У этого организма всё обстоит иначе. У Oligohymenophorea sp. PL0344 стоп-кодоном, по-видимому, выступает только TGA. Два других сигнала были перепрофилированы. TAA кодирует лизин, а TAG — глутаминовую кислоту. Исследователи также обнаружили больше кодонов TGA, чем ожидалось, что, возможно, помогает компенсировать потерю двух других стоп-сигналов. В статье, опубликованной в журнале PLOS Genetics, сообщается, что оставшийся стоп-кодон UGA обогащён непосредственно после кодирующих участков, что позволяет предположить: он может помогать предотвращать вредное «прочитывание» (readthrough), когда трансляция продолжается слишком далеко.

«Это чрезвычайно необычно, — сказал доктор Макгоуэн. — Нам не известны другие случаи, когда эти стоп-кодоны связаны с двумя разными аминокислотами. Это нарушает некоторые правила, которые, как мы думали, свойственны трансляции генов, — считалось, что эти два кодона должны быть связаны между собой».

«Учёные пытаются создать новые генетические коды, но такие коды существуют и в природе. Если искать, можно найти удивительные вещи. Или, как в данном случае, даже когда мы их не ищем».

Как клетки «читают» инструкции ДНК

ДНК можно представить как набор инструкций, но прежде чем эти инструкции начнут действовать, их необходимо скопировать и интерпретировать. Сначала ген транскрибируется в РНК. Затем эта копия РНК транслируется в аминокислоты, которые соединяются друг с другом, образуя белки и другие функциональные молекулы.

Трансляция начинается со стартового кодона (ATG) и обычно заканчивается стоп-кодоном (обычно TAA, TAG или TGA). У этого ресничного организма привычная система завершения трансляции была перестроена. Это открытие показывает, что даже одна из наиболее консервативных систем в биологии может быть более гибкой, чем ожидалось.

Анализ генома и транскриптома, проведённый командой, также выявил супрессорные гены тРНК, которые соответствуют переназначенным кодонам, что подтверждает вывод о том, что организм действительно считывает эти бывшие стоп-сигналы как аминокислоты.

Позднейшие работы показывают, что ресничные — нарушители генетических правил

Последующие работы укрепили представление о том, что ресничные являются необычайно богатым источником сюрпризов в генетическом коде. В исследовании ^[4], опубликованном в 2024 году в журнале PLOS Genetics, исследователи сообщили о нескольких независимых переназначениях стоп-кодона UAG у филлофарингеальных ресничных. Некоторые некультивируемые ресничные из набора данных TARA Oceans, по-видимому, используют UAG для кодирования лейцина, в то время как Hartmannula sinica и Trochilia petrani, как было обнаружено, используют UAG для кодирования глутамина.

В том же исследовании было установлено, что UAA по-прежнему остаётся предпочтительным стоп-кодоном у этих ресничных класса Phyllopharyngea, в то время как UAG неоднократно приобретал функцию кодирования белков. Эти результаты свидетельствуют о неоднократных изменениях генетического кода у малоизученных микробных эукариот и подтверждают идею о том, что ресничные являются одним из наиболее ярких исключений из правил стандартного генетического кода.

В совокупности эти открытия позволяют предположить, что генетический код не так неизменен, как казалось ранее. Для большинства организмов правила остаются удивительно стабильными. Но в малоизученном мире микроорганизмов, особенно ресничных, эволюция неоднократно находила способы изменять эти инструкции.

Оригинальное исследование было опубликовано в журнале PLOS Genetics в 2023 году. Оно было профинансировано Wellcome Trust в рамках проекта «Дарвиновское дерево жизни» и поддержано основным финансированием Института Эрлхэма от Совета по исследованиям в области биотехнологии и биологических наук (BBSRC), входящего в состав UKRI. В публикации были представлены данные секвенирования и ресурсы по сборке генома, размещённые в общедоступных репозиториях.